宇宙は光速よりも速く膨張できるのか？

観測可能な宇宙。 銀河は大規模な構造に変わり、その外側にはビッグバンの高温で高密度のプラズマが存在する。 Image credit: Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo) under a c.c.a.-s.a.-3.0 license.

アインシュタインの最も有名な基本法則の一つに、宇宙では真空中で光速より速く移動できるものはないというものがあります。 もしあなたが質量のない粒子であれば、その速度で移動しなければなりませんし、もしあなたがゼロ以外の質量を持っていれば、どんなにエネルギーを注ぎ込んでも、その速度を達成することは不可能です。 光速に近い速度で動く粒子が、光速に近い速度で動く別の粒子を発射したとしても、その粒子は光速の2倍近い速度で動くことはない。 それどころか、まだ光速そのものにも達していないのです。 しかし、このルールは厳密には、時空間の同じ場所にある粒子にしか適用されません。 膨張する宇宙、つまり曲がった時空では、そのルールは大きく異なります。 考えようによっては、宇宙の膨張そのものが、光の速度にまったく拘束されていないのです。

comedynose (Pete)氏による、高速で相対論的な動きを示す画像。 画像はhttps://www.flickr.com/photos/comedynose/23696582553から取得しています。

どこにいても、何があっても、空間を速く移動することには絶対的な限界があります。 より多くのエネルギーを消費すれば、より速く動くことができると思うかもしれません……。 地球が太陽の周りを回っているように、時速数メートル、数キロメートル、あるいは秒速数キロメートルの速度で動いていれば、無限の速度で動くために存在する壁に気づくことはないでしょう。 しかし、その壁は微かに存在しているのです。 つまり、速く動けば動くほど、つまり空間内での動きが大きければ大きいほど、時間内での動きは遅くなるのです。 あなたが地球上で完全に静止していて、あなたと一緒に静止していた友人がジェット機で飛び立ち、世界を駆け巡ったとします。

もしあなたが十分に感度の高い時計を持っていたならば、友人が旅を終えてあなたのもとに戻ってきたとき、あなたの時計はお互いにほんの少しだけ同期していないことに気づくでしょう。

そして、速度が上がれば上がるほど、その差は顕著になります。

国際宇宙ステーションの宇宙飛行士は、わずか90分で地球を一周していますが、彼らの時計は秒単位で遅くなっており、地球に戻ってくると、従来の時計でも時間の経過の違いがわかるほどです。

高速になると時計の動きが遅くなるというのは、時間と空間がつながっていて、空間が速くなると時間も遅くなるという広い意味での現象の現れにすぎません。 空間と時間のつながりは、光の速さによって与えられます。

これが、平均寿命がわずか2マイクロ秒の不安定な粒子であるミューオンが、光速に非常に近い速度で大気圏上層部で生成され、地表にまで到達する理由です。 2.2マイクロ秒の間、秒速30万キロ（光速）で移動していたとすると、必要な距離の0.6％を移動しただけで崩壊してしまうことになります。

たった3億3千万光年の距離にある銀河団。 Image credit: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona, under c.c.-by-s.a.-3.0.

では、膨張する宇宙についてはどうでしょうか。 銀河を見ると、平均して、その銀河が私たちから遠くに位置するほど、速く後退しているように見えることをご存知でしょう。 おとめ座銀河団の銀河は約5,000万〜6,000万光年の距離にありますが、平均して秒速1200kmで遠ざかっており、コマ銀河団の銀河は約3億3,000万光年の距離にありますが、秒速7000kmで遠ざかっているように見えます

これらの銀河や銀河団は、遠ざかれば遠ざかるほど速く見えます。 もちろん、局所的な運動や近傍の重力の影響により、秒速数百キロから千キロ程度の小さな変動はありますが、大きなスケール、大きな距離では、遠くを見るほど銀河が速く遠ざかっていることがわかります。 この観測は、1920年代にエドウィン・ハッブルが初めて行ったもので、これがハッブルの法則（宇宙の膨張を支配する法則）を生み出している。

from Betoule et al. (2014), via http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.

「ちょっと待てよ」と抗議する声が聞こえてきそうです。 “光の速度はどうなんだ？” 確かに、光の速度はどうでしょうか？ 確かに、目に見えない障壁、つまりあらゆる形態の物質が一定の速度を超えて移動しないようにする障壁が働いて、銀河がある地点を超えて後退するのを防ぐことができるのではないでしょうか？ 時間は、その速度に近づくにつれて漸近し、通過しなくなります。ゼロ以下の速度で通過することは永遠に禁じられており、そうでなければ、銀河は時間をさかのぼっていることになりますよね？

そう思われるかもしれませんが、パズルの重要な部分が抜けています。

ジョンソンスペースセンターにて、スコット・ケリー宇宙飛行士と兄のマーク・ケリー元宇宙飛行士。 スコットはISSで1年間宇宙に滞在し、マークは地上に残った。 Image credit: NASA / Robert Markowitz.

あなたの友人が飛行機で出発して、あなたの時計より少し遅れて戻ってきたとき、それは同じ場所で再会したからです。 宇宙飛行士が地球に戻ってきたとき、彼らの旅があなたよりも数秒短かったのは、あなたが同じ場所で巻き起こったからです。

しかし、遠い宇宙では、これらの銀河は実際には動いていません。

これは単なる理論上の予測に過ぎないと思われるかもしれませんが、テストすることができます。遠くの銀河を見て、その赤方偏移と距離を測定することで、相対性理論の予測に反して、途方もない距離を移動する様子を確認することができるのです。

相対性理論には2つの形があります。1つは、平らで静的な空間に存在し、空間と時間を通じた物体の動きだけが問題となる特殊相対性理論、もう1つは、空間そのものが時間とともに進化または収縮し、物質とエネルギーが時空の曲率を決定し、特殊相対性理論はその上に存在する一般相対性理論です。

(実線)は膨張する宇宙における距離の予測。 確実に、GRの予測だけが我々の観測結果と一致します。 Image credit: Wikimedia Commons user Redshiftimprove.

かなり劇的ですよね。 結局、私たちの観測結果は、一般相対論的な解釈に決定的に有利であり、空間が静止しているという解釈は完全に否定されました。 では、これらの結果を総合するとどうなるのでしょうか？

つまり、遠方の銀河が発する光は、時間の経過とともに、スペクトルの赤い部分にかなり大きくシフトし、宇宙論的な赤方偏移が生じます。 つまり、宇宙の中には、その銀河から発せられた光が私たちに届かないほど遠い部分があるということです。

そして、約4.5ギガパーセク（140〜150億光年）を超える天体は、この時点から先、私たちや私たちの行動が届くことはないということです。 観測可能な宇宙の体積の97％を占めるこれらの天体は、すべて現在、私たちの手の届かないところにあります。

カリフォルニア大学デービス校）、J. Hughes（ラトガース大学）、F. Menanteau（ラトガース大学およびイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校）、C. Sifon (Leiden Observatory), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile), K. Ng (University of California, Davis) の6名です。

そう、時間が経てば経つほど、宇宙の膨張に巻き込まれたすべての天体は、どんどん加速して私たちから遠ざかっていきます。 十分な時間が経てば、どんなに速いロケットを作っても、どんなに多くの信号を発射しても、光速そのものであっても、すべての天体はいずれ光速よりも速く後退し、原理的に私たちには到達できなくなります。 そのために私たちができることは、手遅れになる前に、できるだけ早く銀河系外への旅を始めることです。 現在の宇宙は、宇宙の加速的な拡大によって消滅しつつあります。

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